Research Plan & Calendar
| 1. Etudes de processus en canal périodique | |
| 2. Rationalisation de le cas d’une turbulence en équilibre statistiquement stationnaire | |
| 3. Quantification à partir d’images satellites multi-capteurs | |
| 4. Impacts des processus sub-mésoéchelle sur les flux biogéochimiques aux échelles d'un bassin océanique et d'un cycle saisonnier. | |
| 1. Impacts des processus sub-mésoéchelle sur les flux biogéochimiques aux échelles d'un bassin océanique et d'un cycle saisonnier | |
| 2. Paramétrisations | |
| 3. Quantification à partir d’images satellites multi-capteurs. | |
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| 1. Etudes de processus en canal périodique | |
| 1.1 Rôle du forçage par le vent | |
Une étude est menée sur le rôle de l'interaction
entre la dynamique sub-mésoéchelle et les ondes inertielles
générées par des coups de vent. Des études
dynamiques ont montré que les ondes inertielles se piègent
préférentiellement dans les filaments de vorticité négative,
au niveau des zones de fort gradient (Young et Ben Jelloul, 1997). Ce piégeage
induit une augmentation du mélange vertical, et il est donc susceptible
d'augmenter les apports de nitrate dans des zones de petite échelle
où l'advection verticale de nitrate est déjà forte.
Les mécanismes de transport verticaux induit par ces ondes sont étudiés
dans le cadre de la configuration Lévy et al. (2001) à 2km
de résolution. Les simulations sont cette fois forcées par
un vent variable, de sorte à exciter les ondes d'inertie et à stimuler
le mélange vertical. Les premiers résultats montrent que
le transport par mélange vertical lié aux ondes est du même
ordre de grandeur que le transport advectif seul en l'absence de vent (Fig.
2). En présence de vent, les apports de nitrate a sub-mesoéchelle
seraient donc le double de ce qui a été précédemment
estimé dans Lévy et al (2001). Des expériences sont
en cours pour étudier la sensibilité de ce terme de transport à la
fréquence et à l'intensité des coups de vent. Afin
de préciser ces résultats, un outil diagnostique qui permettra
de discriminer le champ d'ondes de haute fréquence de l'écoulement
frontal doit être également développé. |
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| 1.2 Impact de la dynamique sub-mésoéchelle sur les échanges air-mer de CO2 | |
L'impact
de la dynamique sub-mésoéchelle sur les échanges
air-mer de CO2 n'est pas trivial car cette dynamique modifie à la
fois la température de surface, la concentration en carbone inorganique
dissous et la production nouvelle. Selon l'importance relative de ces trois
facteurs, elle pourra soit conduire à une augmentation des flux
air-mer de CO2, soit au contraire à une diminution de ces flux.
Afin de mieux appréhender la complexité de ses processus
extrêmement non-linéaires, les expériences de Lévy
et al. (2001) sont maintenant réalisées avec un modèle
biogéochimique plus complet, qui inclut une représentation
explicite du cycle du carbone océanique. Différentes expériences
sont en cours, à 2 km de résolution, et pour différentes
conditions initiales, qui varient en fonction des ratio carbone total/température
et carbone total/nitrate. |
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img Figure 2 : New production in a periodic canal experiment with 2 km resolution, with (right figure) and without (left figure) wind. In both cases, production is particularly enhanced in vorticity filaments. The sub-mesoscale nutrient supply to the euphotic layer is strongly increased by the action of inertal waves generated by the wind. |
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| 2. Rationalisation de le cas d’une turbulence en équilibre statistiquement stationnaire | |
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Afin d'isoler l'influence de la dynamique sub-mésoéchelle, les expériences de Lévy et al. (2001) sont volontairement idéalisées : seule une longueur d'onde instable est considérée, et les simulations n'excédent pas un mois. La quantification exacte de l'importance de ces processus ne peut cependant se faire que dans un cadre plus général, où un certain nombre de tourbillons peuvent se développer du fait du phénomène de cascade inverse, ce qui permet de représenter les interactions entre les différentes échelles de manière plus réaliste. A partir d'expériences longues correspondant à des situations de turbulence en équilibre statistiquement stationnaire, nous tenterons de généraliser les résultats obtenus, et d'évaluer la contribution plus spécifiques des interactions entre structures d'échelles différentes.
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Figure 3 : vorticity, SST, phytoplankton and zooplankton small scale variability as simulated from the preliminary experiments in steady-state turbulence |
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| 3. Quantification à partir d’images satellites multi-capteurs | |
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Les
images satellites à haute résolution constituent une
base de donnée idéale pour l’étude des interactions à petite échelle
entre la dynamique et la biogéochimie, et sont encore largement
inexploitées. Les capteurs Sea-Wifs et AVHRR permettent depuis quelques
années l'observation à la surface des océans de deux
traceurs, la température et la chlorophylle (pigment photosynthétique),
avec une résolution spatiale de 1 km et une résolution temporelle
quotidienne. En outre, le capteur Topex-Poseidon permet de localiser avec
une assez bonne précision l’activité tourbillonnaire,
et donc les zones où la sub-mésoéchelle peut être
active. L’objectif de ce travail est d’analyser et de quantifier le rôle de la dynamique sub-mésoéchelle sur le mélange de traceurs et sur la production primaire, à partir des informations de natures différentes provenant de ces trois capteurs. (la possibilité d’utiliser le capteur couleur de l’océan MERIS en plus de SeaWiFS sera également envisagée et cela afin d’accroître la couverture temporelle affectée par la présence des nuages). L’analyse se focalisera sur trois zones de l’Atlantique, le Gulf Stream, l’Atlantique Nord-Est, et l’upwelling du Benguela. Ce choix permet d’aborder le problème physique dans des régimes hydro-dynamiques et biologiques très contrastés. Les résultats obtenus seront confrontés à des d’informations indépendantes, provenant d’observations bateau (nombreuses dans les trois régions) et de modèles (notamment dans l’Atlantique Nord-Est, dans le cadre du programme Pomme). Pour chaque région, il s’agira de quantifier la part de la variabilité à petite échelle de la chlorophylle par rapport à la variabilité à plus grande échelle, de relier cette variabilité à celle de la température et de l’activité tourbillonnaire, et d’identifier ainsi les mécanismes physiques qui en sont responsable. Les images seront analysées en utilisant des méthodes statistiques classiques telles que covariation entre variables, de méthodes de classification par réseaux de neurones, et des analyses Fourier de spectres de variance. La pente de spectres obtenus pour la chlorophylle et la température seront comparées aux pentes théoriques prédites pour des traceurs passifs ou actifs, dans le cadre de la turbulence quasi-géostrophique et frontale-géostrophique. Cette comparaison permettra de déterminer à quelles échelles la distribution de phytoplancton est contrôlée par la dynamique, et de quantifier la part de la variance introduite à petite échelle par les vitesses verticales. Cette étude débutera dans le cadre d’un stage de DEA en 2002, qui sera éventuellement poursuivit en thèse. Les résultats de ce stage permettront de définir des directions d’études plus précises pour les années ultérieures. |
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| 4. Impacts des processus sub-mésoéchelle sur les flux biogéochimiques aux échelles d'un bassin océanique et d'un cycle saisonnier. | |
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Les études de processus en canal périodique nous ont permis d'identifier et d'étudier les processus dynamique à sub-mésoéchelle qui modifient les flux biogéochimiques. Ces études ont été focalisées sur des domaines de faible extension et sur de courtes périodes de temps. Elles ont permis de mettre en évidence l’importance de la sub-mésoéchelle, mais de nombreuses questions restent en suspend : - Au
niveau dynamique, quel est l'impact de cette dynamique de très
petite échelle sur la circulation moyenne dans un bassin océanique
? Seule une étude à l’échelle d’un bassin peut permettre de répondre à ces questions. Mais il n'est pas encore envisageable de conduire des expériences numériques avec une résolution horizontale de 2 à 3 km sur un domaine couvrant l’ensemble d’un bassin océanique. L´étude proposée sera donc basée sur une configuration académique de double-gyre de dimension réduite (typiquement 1500 km x 1500 km), ce qui permettra d'utiliser des plus hautes résolutions. L'activité mésoéchelle sera générée par l'instabilité du courant de bord ouest. La circulation en double-gyre sera forcée par le vent. Un forçage saisonnier en flux de chaleur forcera une circulation thermohaline et induira la variabilité saisonnière de la profondeur de la couche de mélange. Les résultats escomptés seront complémentaires de ceux établis en configuration statistiquement stationnaire. En effet, dans le cas de la double gyre, l´étude permettra d'aborder différents régimes trophiques et différents niveaux d'énergie cinétique turbulente. Par contre, le nombre de structures mésoéchelles sera limité. Dans le cas statistiquement stationnaire, seul le régime oligotrophe et un niveau d'énergie cinétique turbulente seront traités, mais le nombre de structures cohérentes sera plus important.
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| 1. Impacts des processus sub-mésoéchelle sur les flux biogéochimiques aux échelles d'un bassin océanique et d'un cycle saisonnier | |
L’analyse scientifique des simulations double-gyre à haute
résolution débutera à l’horizon 2004. Nous tenterons
de répondre aux questions relatives aux modifications grande échelle
des flux biogéchimiques et de l’état moyen de la distribution
des nitrates induites par la prise en compte explicite de la dynamique
sub-mésoéchelle. |
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| 2. Paramétrisations | |
Les
modèles globaux actuels ne permettent pas de représenter
les apports de nitrate à sub-mésoéchelle, car ils
utilisent des résolutions horizontales insuffisantes. C'est une
des raisons pour lesquelles ils sous-estiment systématiquement la
production primaire. Par contre il est possible, à partir de diagnostiques
grande échelle d'identifier dans ces modèles globaux les
zones où l'activité mésoéchelle est susceptible
d'être importante. A la lumière des études précédentes où la sub-mésoéchelle est explicitement résolues, le transport vertical de nitrate induit par la mésoéchelle pourra être relié aux caractéristiques grande échelle de l’écoulement, en s’inspirant des idées développées par Laypere et al. (1999, 2000, 2001, Phys. Fluids). Il sera alors pertinent de se servir de ces études de processus pour développer des paramétrisations, puis de se servir de ces paramétrisations pour améliorer les modèles globaux. Dans un premier temps, le transport de nitrate induit par l'instabilité barocline d'un front sera comparé à la pente moyenne des isopycnes au niveau de ce front ainsi qu'à l'énergie cinétique turbulente moyenne. Ce travail sera mené pour différents fronts, et différentes conditions biogéochimiques (eutrophe, mésotrophe, oligotrophe). Une première tentative de paramétrisation consistera à représenter le transport advectif par un accroissement adéquat du mélange vertical. Dans un deuxième temps, ces paramétrisations seront testées dans la configuration double-gyre. La capacité prédictive d'une configuration à plus basse résolution incluant cette paramétrisation sera comparée à celle de l'approche à haute résolution. |
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| 3. Quantification à partir d’images satellites multi-capteurs. | |
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| Les études commencées en 2002-2003 seront poursuivies. | |
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Faugeras, B., Levy,
M., Memery, L., Blum, J., and J. Verron (2001). Estimating the parameters
of a 1D biogeochemical model to assimilate date from the DYFAMED station
in the North Western Mediterranean Sea, JMS, submitted to JMS. Levy, M., Estubier, A, and G. Madec (2001). Choice
of an advection scheme for biogeochemical models, GRL, 3725-3728. Memery, L., Levy, M., Verant, S. and
L. Merlivat (2001). The relevant time scales in estimating the air-sea
CO2 exchange in a mid-latitude region : a numerical study at the Dyfamed
station (NW Mediterranean Sea), DSR, in press. Levy, M, Klein, P. and A.-M. Treguier (2001)
Impacts of sub-mesoscale physics on phytoplankton production and subduction,
JMR, 59, 535-565. Lévy, M., Mémery, L., and G. Madec (2000).Combined
effects of mesoscale process es and atmospheric high-frequency variability
on the spring bloom in the MEDOC area, Deep-Sea Res, 47, 27-53. Lévy, M., Visbeck, M. and N. Naik (1999). Sensitivity
of primary production to different eddy parameterizations : a case
study of the spring bloom development in the northwestern Mediterranean
Sea, J. Mar. Res.,57, 1-24. Lévy, M., Mémery, L., and G. Madec (1999) The
onset of the spring bloom in the MEDOC area
: mesoscale spatial variability, Deep-Sea Res, 46, 1137-1160. Levy, M., Memery, L., and G. Madec (1998). The
onset of a bloom after deep winter convection in the North Western
Mediterranean Sea: mesoscale process study with a primitive equation
model, J. Mar. Syst., 16, 7-21. Levy, M. , Memery, L., and J.-M. Andre (1998).
Simulation of primary production and export fluxes in the NW MediterraneanSea,
J. Mar. Res. , 56, 197-238.
Young, W. R. and Ben Jelloul, M., 1997, Propagation of near inertialoscillations
through ageostrophic flow, JMR, 55, 735-766. Ben Jelloul , M. and Zeitlin , V., 1999, Remarks on
the stability of the rotating shallow water vortices in the frontal
dynamics regime, Nuovo Cimento, 22, 931-941. Reznik, G. and Zeitlin V. and Ben Jelloul,
M., 2001, Nonlinear Theory of the Geostrophic Adjustment. Part One: Rotating Shallow WaterModel,
JFM, 445, 93-120. Ben Jelloul, M. and Carton, X., 2001, Asymptotic Models
and their Application to Vortex Dynamics, Advances in Mathematical
Modeling of the Atmosphere and Oceans, Kluwer Acad. Publ.
Mahadevan and D. Archer, 1998,``Modeling a Limited
Region of the Ocean'' Journal of Computational
Physics., 145, (2), 555-574. A.Mahadevan and D. Archer, 2000.``Modeling
the Impact of Fronts and Mesoscale Circulation on the Nutrient Supply
and Biogeochemistry of the Upper Ocean'' Journal of Geophysical
Research, 105, (C1), 1209-1225. A. Mahadevan, 2001,``An Analysis of
Surface Trends of Bomb Radiocarbon in the Pacific'', Marine Chemistry},
73, 273-290. A. Mahadevan, J. Lu, S.P. Meacham
and P. Malanotte-Rizzoli, 2002.``The Predictability of Large-Scale
Wind-driven Flows'', Nonlinear Processes in Geophysics, 8, (in press). A. Mahadevan and J.W. Campbell, 2002.``Biogeochemical Variability
at the Sea Surface'', Geophysical Research Letters, (in press). R.M. Ponte, A.Mahadevan, J. Rajamony
and R.D. Rosen, 2002``Uncertainties
in Seasonal Wind Torques over the Ocean'', Journal of Climate, in press.
Dupont, F., D.
N. Straub and C. A. Lin, 2002, Influence of a step-like coastline
on the basin scale vorticity budget of mid-latitude gyre models,submitted
to Tellus. Straub, D. N. 2002, Instability of 2D hydrostatic
flows the 3D perturbations, under review in J. Atmos. Sci. Scott, R. and D. N. Straub 1998, Small
viscosity behavior of a homogeneous, quasigeostrophic ocean circulation
model, J. of Mar. Res., 56,
1225-1258. Straub, D.N. 1998, On thermobaric production of potential vorticity in the ocean,
Tellus. Straub, D.N. 1998, Simple models of flow over sills: planetary- and semi-geostrophic solutions, J. Phys. Oceanogr. ,
28, 971-983.
H. Loisel and D. Stramski. 2000. Estimation of the inherent optical
properties of natural waters from irradiance attenuation coefficient
and reflectance in the presence of Raman scattering. Applied Optics.
39: 3001-3011. H. Loisel, D. Stramski, B. G. Mitchell,
F. Fell, V. Fournier-Sicre, B. Lemasle and M. Babin. 2001. Comparison
of the ocean inherent optical properties obtained from measurements
and inverse modeling. Applied Optics.40: 2384-2397. H. Loisel, E. Bosc D. Stramski, K.
Oubelker and P-Y. Deschamps. 2001. Seasonal variability of the backscattering
coefficients in the Mediterranean Sea based on Satellite SeaWIFS imagery.
Geophysical Research letters. 28: 4203-4206. C. Dupouy, H. Loisel,
J. Neveux, C. Moulin, S. Brown, J. Blanchot, A. Lebouteiller and M.
Landry. Light-absorption and backscattering coefficients by microbial
groups along 180 during an ENSO cold phase in the Pacific Ocean : a
simulation test and an inversion of a POLDER image. Soumis Journal
of Geophysical Research.
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